Шины: полное руководство — определение, устройство, виды, материалы

Шины (амер. tires, бр. tyres) ассоциируются с автопромом, но применяются везде, где нужно перемещение. Кольцевой элемент на ободе колеса передает нагрузку от оси через колесо к дороге и обеспечивает сцепление. Сегодня: определение, применение, материалы, компоненты, схема, виды, конструкция, эксплуатационные характеристики.

Что такое шина?

Шина — кольцевой компонент для передачи нагрузки через колесо к грунту и обеспечения сцепления. Основное применение — транспорт: авто, велосипеды. Пневматические шины — надувные конструкции, дающие эластичную подушку, гасящую удары на неровностях. Формируют след (контактное пятно), рассчитанный на вес авто и несущую способность поверхности за счет давления, не деформирующей её чрезмерно.

Материалы современных пневматических шин: синтетический и натуральный каучук, корд (ткань, металлокорд), технический углерод, химические добавки. Состоят из протектора и каркаса. Протектор дает сцепление, каркас — сдерживает сжатый воздух.

Применение шин

Разные шины для конкретных задач. Автомобильные шины различаются по типу транспорта, нагрузке и назначению: легковые, грузовые (легкие/тяжелые), автобусные. Спецшины: зимние (снег/лед), высокоскоростные, всесезонные, вседорожные, грязевые. Металлические — для локомотивов и вагонов. Цельные из резины/полимеров — тележки, колеса саней, тачки, косилки.

Все транспортные шины (авто, вело, мото, автобусы, грузовики, спецтехника, авиация) — пневматические. Тяжелые неавтомобильные применения тоже могут их использовать. Промышленные применения имеют специфические требования.

Материалы и компоненты

Производство начинается с сырья: каучук, технический углерод, химикаты. Много специализированных компонентов собираются и вулканизируются. Основной каучук — стирол-бутадиеновый сополимер. Материалы делятся на две группы: корд (основа бреда и обода) и эластомер (обволакивает корд).

Корд (сталь, натуральные волокна — хлопок/шелк, синтетика — нейлон/кевлар) дает прочность на разрыв для удержания давления.

Эластомер формирует протектор, защищает корд от абразии, удерживает его на месте. Ключевой элемент пневматической шины. Разные композиции резины.

Компоненты шины

Протектор, обод, боковина, плечо, бред.

Протектор — часть, контактирующая с дорогой. Мгновенная зона контакта — контактное пятно. Толстый слой резины/композита для сцепления и износостойкости.

Обод — контактирует с ободом колеса. Укреплен стальным шнуром, из высокопрочной малодеформируемой резины. Плотно прилегает к обоим бортам диска для герметичности бескамерной шины и предотвращения кругового смещения при вращении.

Боковина — мостик между протектором и ободом (четко видна на велосипедах). Резина с армировкой тканью/стальным кордом для прочности и эластичности. Удерживает давление, передает крутящий момент от оси к протектору для сцепления, мало воспринимает вес авто.

Плечо — переход от протектора к боковине по краю.

Бреды (Plies) — слои нерастяжимых кордов в резине, предотвращающие растяжение от внутреннего давления.

Схема шины:

Виды шин

Две большие категории: камерные и бескамерные. Первые шины — металлические обоймы на деревянных колесах против износа. Ранние резиновые — цельные, не пневматические. Сегодня популярны пневматические камерные: разные классы от легких до тяжелых. Обеспечивают сцепление, износостойкость, гашение неровностей, комфорт, шумоизоляцию, топливную экономичность, торможение.

Бескамерные — пневматические без отдельной камеры. Полупневматические — полые внутри, но не под давлением. Легкие, дешевые, непробиваемые, амортизируют. Часто интегрированы с колесом и встроенными подшипниками. Косилки, инвалидные коляски, тачки, промышленность.

Беспневматические (airless) — не на воздухе. Малые машины: гольф-кары, утилитарные авто в прокольноопасных зонах (стройтехника). Промышленные/коммерческие — часто беспневматические.

Цельные (solid) — косилки, скейтборды, гольф-кары, самокаты, легкая техника, тележки, прицепы. Часто на погрузчиках и складской технике.

Эксплуатационные характеристики

Динамические:

• Баланс — равномерное распределение массы по окружности для устойчивости на скорости. Проверка статического и динамического дисбаланса на стендах.
• Центробежный рост — увеличение диаметра от центробежных сил на высоких скоростях. Протектор отдаляется от оси вращения.
• Пневматический след — эффект следа от деформируемых шин на твердой поверхности при боковой нагрузке (в повороте).
• Угол скольжения — угол между реальным направлением качения колеса и направлением его ориентации.
• Длина релаксации — задержка между появлением угла скольжения и достижением стационарной боковой силы.
• Жесткость пружины — отношение вертикальной силы к вертикальному прогибу, влияет на подвеску.
• Тормозной путь — спортивные шины с узором/смесью для сцепления дают чуть более короткий путь.

Силы:

• Камберная тяга (Camber thrust)
• Круг сил (Circle of forces)
• Контактное пятно (Contact patch)
• Боковая сила (Cornering force)
• Сцепление на сухом (Dry traction)
• Силовые вибрации (Force vibration)
• Сопротивление качению (Rolling resistance)
• Самовыравнивающий момент (Self-aligning torque)
• Сцепление на мокром (Wet traction)

Нагрузка:

• Чувствительность к нагрузке (Load sensitivity) — поведение шины под нагрузкой.
• Рабочая нагрузка (Working load) — контроль нагрузки для избежания преждевременного отказа.

Износ:

Износ протектора (Treadwear) — нормальный контакт с дорогой/рельефом. Плохая развал-схождение дает износ внутренних/наружных ребер. Гравий, камни, шероховатости ускоряют износ.

Заключение

Основное применение — транспорт (авто, вело). Пневматические шины дают эластичную подушку, гасящую удары. Кольцевой компонент для передачи нагрузки и сцепления. Рассмотрены определение, применение, материалы, компоненты, схема, виды, конструкция, характеристики.

Надеемся, статья полезна — делитесь с коллегами!